步进电机的硬件电路设计，步进电机驱动原理及方法

　　步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

　　

　　步进电机的硬件电路设计

　　1、单片机的选择

　　本次设计以CPU选用89C5l作为步进电机的控制芯片．89C51的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上．使用方便等优点，而且完全兼容MCS5l系列单片机的所有功能。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FAlsh ProgrAmmABle And ErAsABle ReAd Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案

　　1.1单片机的引脚功能：

　　（1）VCC（40）：电源+5V。

　　（2）VSS（20）：接地，也就是GND。

　　（3）XTL1（19）和XTL2（18）：振荡电路。

　　单片机是一种时序电路，必须有脉冲信号才能工作，在它的内部有一个时钟产生电路，有两种振荡方式，一种是内部振荡方式，只要接上两个电容和一个晶振即可；另一种是外部振荡方式，采用外部振荡方式时，需在XTL2上加外部时钟信号（详细的内容将在以后的课程中专门介绍）。

　　（4）PSEN（29）：片外ROM选通信号，低电平有效。

　　（5）ALE/PROG（30）：地址锁存信号输出端/EPROM编程脉冲输入端。

　　（6）RST/VPD（9）：复位信号输入端/备用电源输入端。

　　（7）EA/VPP（31）：内/外部ROM选择 端

　　（8）P0口（39-32）：双向I/O口。9．P1口（1-8）：准双向通用I/0口。

　　（9）P2口（21-28）：准双向I/0口。原理图如1所示：

　　

　　1.2 主要特性：

　　与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定、128*8位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路

　　（1） 振荡器特性：

　　XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

　　（2） 芯片擦除：

　　整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

　　此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

　　2、步进电机的选择

　　因本次设计的要求，步进电机的应选用三相三拍的步进电机，关于步进电机的具体说明如下；

　　反应式步进电动机是利用凸极转子交轴磁阻与直轴磁阻之差所产生的反应转矩而转动的所以也称为磁阻式步进电动机现以一个最简单的三相反应式步进电动机为例说明其工作原理。

　　图2是一台三相反应式步进电动机的原理图定子铁芯为凸极式共有三对六个磁极每两个相对的磁极上绕有一相控制绕组转子用软磁性材料制成也是凸极结构只有四个齿齿宽等于定子的极靴宽下面通过几种基本的控制方式来说明其工作原理。

　　

　　2.1 三相单三拍通电方式

　　当A 相控制绕组通电，其余两相均不通电，电机内建立以定子A 相极为轴线的磁场。由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，使转子齿1， 3 的轴线与定子A 相极轴线对齐，如图4 （A）所示。若A 相控制绕组断电，B 相控制绕组通电时，转子在反应转矩的作用下，逆时针方向转过30，°使转子齿2，4 的轴线与定子B 相极轴线对齐，即转子走了一步，如图4（B）所示， 若再断开B相，使C相控制绕组通电，转子又转过30° 使转子齿1，3 的轴线与定子C相极轴线对齐，如图4（C）所示。如此按A-B–C-A 的顺序轮流通电，转子就会一步一步地按逆时针方向转动，其转速取决于各相控制绕组通电与断电的频率，旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序若按A-C-B-A 的顺序通电，则电机按顺时针反方向转动。

　　上述通电方式称为三相单三拍运行，”三相”是指三相步进电动机，”单”是指每次只有一相控制绕组通电，控制绕组每改变一次通电方式称为一拍，三拍是指经过三次改变通电方式为一个循环，我们称每一拍转子转过的角度为步距角。三相单三拍运行时的步距角为30度。其原理图如2所示：

　　

　　2.2 三相双三拍通电方式

　　控制绕组的通电方式为AB-BC-CA-AB 或AB-CA-BC-AB 每拍同时有两相绕组通电三拍为一个循环，当A B 两相控制绕组同时通电时转子齿的位置应同时考虑到两对定子极的作用，只有A 相极和B 相极对转子齿所产生的磁拉力相平衡才是转子的平衡位置如2-2 B 所示，可见双三拍运行时的步距角仍是30°，但双三拍运行时每一拍总有一相绕组持续通电，例如由A B 两相通电变为B C 两相通电时，B 相保持持续通电状态C 相磁拉力图使转子逆时针方向转动，而B 相磁拉力却起有阻止转子继续向前转动的作用。即起到一定的电磁阻尼作用所以电机工作比较平稳，而在三相单三拍运行时由于没有这种阻尼作用，所以转子达到新的平衡位置容易产生振荡稳定性不如双三拍运行方式。三相双三拍运行方式AB相与BC相导通的结构如图2-2所示：

　　

　　在分析步进电动机动态运行时，不仅要知道某一相控制绕组通电时的矩角特性，而且要知道整个运行过程中各相控制绕组通电状态下的矩角特性，即所谓矩角特性族以三相单三拍的通电方式为例，若将失调角θ的坐标轴统一取在A 相磁极的轴线上，显然A 相通电时矩角特性如图3中曲线A 所示稳定平衡点为O，点B 相通电时转子转过1/3 齿距相当于转过2π/3 电角度，它的稳4-3中曲线C， 这三条曲线就构成了三相单三拍通电方式时的矩角特性族总之矩角特性族中的每一条曲线依次错开一个用电角度表示的步矩角

　　

　　同理可得到三相单双六拍通电方式时的矩角特性族如图4与5 所示：

　　

　　

　　步进电机的动态特性是指步进电动机在运行过程中的特性它直接影响系统工作的可靠性和系统的快速反应。

　　（1）单步运行状态

　　单步运行状态是指步进电动机在一相或多相控制绕组通电状态下仅改变一次通电状态时的运行方式。

　　（2）动稳定区

　　当A 相控制绕组通电时矩角特性如图中的曲线A 所示，若步进电动机为理想空载则转子处于稳定平衡点 处，如果将A相通电改变为B相通电，那么矩角特性应向前移动一个步距角 变为曲线B， 点为新的稳定平衡点由于在改变通电状态的初瞬转子位置来不及改变还处于θ=0的位置，对应的电磁转矩却由O 突变为曲 线B上的C 点，电机在该转矩的作用下转子向新的稳定平衡位置，移动直至到达 点为止对应它的静稳定区为止，（-π+ ）《θ 《（π+ ）， 即改变通电状态的瞬间只要转子在这个区域内就能趋向新的稳定平衡位置，因此把后一个通电相的静稳定区称为前一个通电相的动稳定区，把初始稳定平衡点OA 与动稳定区的边界点A 之间的距离称为稳定裕度，拍数越多步距角越小，动稳定区就越接近静稳定区稳定裕度越大，运行的稳定性越好转子从原来的稳定平衡点到达新的稳定平衡点的时间越短，能够响应的频率也就越高。原理图如5所示：

　　

　　图5 稳定响应曲线

　　（3）最大负载能力

　　步进电动机带恒定负载时负载转矩为 * MERGEFORMAT ， * MERGEFORMAT 若A 相控制绕组通电则转子的稳定平衡位置为图 A中曲线A 上的 * MERGEFORMAT 点，这一点的电磁转矩正好与负载转矩相平衡，当输入一个控制脉冲信号通电状态由A相改变为B 相，矩角特性变为曲线B 在改变通电状态的瞬间电机产生的电磁转矩 * MERGEFORMAT 大于负载转矩 * MERGEFORMAT ，电机在该转矩的作用下转过一个步距角到达新的稳定平衡点OB´，如图6所示：

　　

　　图6 最大负载转矩的确定

　　（a） （b）

　　如果负载转矩增大为 * MERGEFORMAT ，且 ，如图4-14（B）则初始平衡位置为 * MERGEFORMAT 点，但在改变通电状态的瞬间电机产生电磁转矩为 ，由于 ，转子不能到达新的稳定平衡位置点 ，而是向失调角θ减小的方向滑动，电机不能带动负载作步进运行，这时步进电动机实际上是处于失控状态，由此可见只有负载转矩小于相邻两个矩角特性交点S 所对应的电磁转矩才能保证电机正常的步进运行，把 称为最大负载转矩也称为启动转矩当然它比最大静转矩 可求得启动转矩公式2-1。

　　

　　步进电机的驱动原理及方法

　　步进电机的驱动原理

　　关于步进电机的驱动机械装置，用简单的构造图简易说明，在图1 是为了要说明步进电机驱动原理的构造图，在固定架构上有4个电磁铁并列这，它的下方有一个可动磁铁对向这，而且，在磁铁的下侧上装置了引导滚轮作直线状的引导轴，沿这左、右移动的构造。

　　

　　如此，在此对步进电动机的动作顺道追加说明，现在，电磁铁L1和可动磁铁Mg之间相互作用产生的磁气吸引力，因而在这里场合，（a）部的位置滑动部产生静止作用，其次是电磁铁L2激磁时，刚才的电磁铁L1 OFF，由于如此可动磁铁就被吸引附在电磁铁L2的位置上，就成为在（b）的位置上，更进一步的在电磁铁L3受激磁时，刚才的电磁铁L2 OFF，由于如此可动磁铁就移动至电磁铁L3的位置为止，就成为在（c）的位置上。

　　以下，依照这各动作而反复的操作，可动磁铁就会向箭头方向移动，因而，依照像这种动作顺次的操作下，可以实现出一种致动器（在此为直线运动），还有，在此所使用的电磁铁L1~L4，在任何可动磁铁（Mg）侧上，都以产生N极的电流流通。

　　而且，在此所说的构造图并不是只能有4个电磁铁而已，在必要上也可增加它的对应数。

　　图1的电机为直线型运动，总之就是属于线性步进电机，因而，就如这样并不能成为转型的情况，如此，为了要成为转型就必须下些功夫，图2为了要使刚才线性型的构造成为旋转型的总结，所以它的驱动原理在本质上和刚才的直线运动型一样。

　　

　　步进电机的5种驱动方法

　　1. 恒电压驱动

　　单电压驱动是指在电机绕组工作过程中，只用一个方向电压对绕组供电，多个绕组交替提供电压。该方式是一种比较老的驱动方式，现在基本不用了。

　　优点：电路简单，元件少、控制也简单，实现起来比较简单

　　缺点：必须提供足够大的电流的三极管来进行开关处理，步进电机运转速度比较低，电机震动比较大，发热大。由于已经不再使用，所以不多描述。

　　2. 高低压驱动

　　由于恒电压驱动存在以上诸多缺点，技术的进一步发展，研发出新的高低压驱动来改善恒电压驱动的部分缺点，高低压驱动的原理是，在电机运动到整步的时候使用高压控制，在运动到半步的时候使用低压控制，停止时也是使用低压来控制。

　　优点：高低压控制在一点程度上改善了震动和噪音，第一次提出细分控制步进电机的概念，同时也提出了停止时电流减半的工作模式。

　　缺点：电路相对恒电压驱动复杂，对三极管高频特性要求提高，电机低速仍然震动比较大，发热仍然比较大，现在基本上不使用这种驱动模式。

　　3. 自激式恒电流斩波驱动

　　自激式恒电流斩波驱动的工作原理是通过硬件设计当电流达到某个设定值的时候通过硬件将其电流关闭，然后转为另一个绕组通电，另一个绕组通电的电流到某个固定的电流的时候，又能通过硬件将其关闭，如此反复，推进步进电机运转。

　　优点：噪音大大减小，转速一定程度上提高了，性能比前两种有一定的提高。

　　缺点：对电路设计要求比较高，对电路抗干扰要求比较高，容易引起高频，烧坏驱动元件，对元件性能要求比较高。

　　4. 电流比较斩波驱动（目前市场上主要采用的技术）

　　电流比较斩波驱动是把步进电机绕组电流值转化为一定比例的电压，与D/A转换器输出的预设值进行比较，比较结果来控制功率管的开关，从而达到控制绕组相电流的目的。

　　优点：使运动控制模拟正弦波的特点，大大提高性能，运动速度和噪音都比较小，可以使用比较高的细分，是当前流行的控制方法。

　　缺点：电路比较复杂，对电路中的干扰难以控制和理论要求相吻合，容易产生抖动，在控制形成正弦波的波峰和波谷，容易导致高频干扰，进而导致驱动元件发热或者由于频率过高而老化，这也是很多驱动器使用1年多的时候容易出现红灯保护的主要原因。

　　5. 潜进式驱动

　　这是一种全新的运动控制技术，该技术是在当前电流比较斩波驱动技术的前提下，克服其中的缺点而创新的一种全新的驱动方法。其核心技术是在电流比较斩波驱动的前提下增加了驱动元件发热和高频抑制保护技术。

　　优点：兼有电流比较斩波驱动的优点外，发热特别小，使用寿命较长。

　　缺点：全新技术，价格比较高，目前每种步进电机和驱动器匹配要求相对比较严格。